FreeRTOS原理剖析：空闲任务分析

1. 空闲任务相关API函数

函数	描述
portTASK_FUNCTION()	宏定义，真正函数原型为void prvIdleTask(void * pvParameters)

任务挂起中其它重要的API函数(介绍过的函数不列出，请参考前面的文章)：

函数	描述
prvCheckTasksWaitingTermination()	回收等待列表xTasksWaitingTermination中任务的堆栈和任务控制块内存
vApplicationIdleHook()	任务钩子函数，由用户提供
prvGetExpectedIdleTime()	获取下一个唤醒任务的时钟节拍数，即获取了处理器进入低功耗模式的时长

2. 空闲任务基本概念

在RTOS调度器开启后，为了确保至少有一个任务执行，FreeRTOS中会在开启调度器时自动创建空闲任务。

动态方式创建任务：

//动态方式创建空闲任务
xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,"IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,( void * ) NULL,( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ),&xIdleTaskHandle );

如果使用静态方式创建任务，需要用户自己定义空闲任务所需要的内存空间，如下：

//空闲任务
static StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];
static StaticTask_t IdleTaskTCB;//空闲任务所需内存
void vApplicationGetIdleTaskMemory( StaticTask_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{*ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;*ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack;*pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;
}

//静态方式创建
xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic(prvIdleTask,"IDLE",ulIdleTaskStackSize,( void * ) NULL,( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ),pxIdleTaskStackBuffer,pxIdleTaskTCBBuffer );

说明：

如果一个任务删除自己，则任务先放入列表xTasksWaitingTermination，等到空闲任务时再回收堆栈和TCB内存。
低功耗目的尽量使MCU在空闲状态时处于低功耗模式。
空闲任务的优先级一般是最低的，设置优先级为0。如果有任务与空闲任务优先级相同，并且宏configIDLE_SHOULD_YIELD设置为1，则空闲任务直接让出CPU资源给其它任务。

3. 空闲任务函数portTASK_FUNCTION()

3.1 函数portTASK_FUNCTION()分析

该函数原型如下：

static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters )

它是一个宏定义，如下：

#define portTASK_FUNCTION( vFunction, pvParameters ) void vFunction( void *pvParameters )

即函数原型为：void prvIdleTask(void * pvParameters)

函数源代码如下：

static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters )
{/* 防止编译器警告 */( void ) pvParameters;for( ;; ){/* 检查是否有任务删除本身(即自己删除自己)，如果有释放控制块和堆栈内存 */prvCheckTasksWaitingTermination();/* 如果使用抢占式内核 */#if ( configUSE_PREEMPTION == 0 ){taskYIELD();  /* 执行一次任务切换 */}#endif /* configUSE_PREEMPTION *//* * 相同优先级的任务会使用时间片方式获取CPU资源* 如果设置configUSE_PREEMPTION 为1，即使用抢占式内核* 同时，设置configIDLE_SHOULD_YIELD 为1，则与空闲任务优先级相同，空闲任务放弃CPU使用权给其它任务*/#if ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) ){/* 如果空闲任务优先级下有多个任务 */if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ tskIDLE_PRIORITY ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 ){taskYIELD();   /* 执行任务切换，将CPU资源给其它任务 */}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) ) *//* 如果使能空闲任务钩子函数，需要用户提供，这样用户不增加任务开销的情况下实现后台功能，如设置CPU进入省电模式 */#if ( configUSE_IDLE_HOOK == 1 ){extern void vApplicationIdleHook( void );/* 这个函数中绝对不允许调用可能引起阻塞任务的函数 */vApplicationIdleHook(); }#endif /* configUSE_IDLE_HOOK *//* 如果使能了低功耗Tickless模式功能 */#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 ){TickType_t xExpectedIdleTime;/** 执行两次同样的比较(xExpectedIdleTime和configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP)* 第一次比较是测试一下是否达到预期的空闲时间，避免每次执行空闲任务都挂起调度器，然后再解除调度器*/xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ){vTaskSuspendAll();  /* 挂起调度器 */{configASSERT( xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );/* 再次测试一下是否达到预期的空闲时间 */xExpectedIdleTime = prvGetExpectedIdleTime();if( xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP ){traceLOW_POWER_IDLE_BEGIN();/* * 调用宏，进入低功耗模式，和如何退出低功耗模式* 系统时间补偿* 根据MCU功耗模式编写的代码，由移植层提供*/portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP( xExpectedIdleTime );    traceLOW_POWER_IDLE_END();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}( void ) xTaskResumeAll();   /* 恢复调度器 */}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */}
}

3.2 函数prvCheckTasksWaitingTermination()

该函数主要功能是回收等待列表xTasksWaitingTermination中任务的堆栈和任务控制块内存。当任务删除本身时(即自己删除自己)，由于任务可能没执行完，不能立即释放内存空间，就先放入该列表，等到空闲任务时再删除。

函数源代码如下：

static void prvCheckTasksWaitingTermination( void )
{/* 如果使能了任务删除功能 */#if ( INCLUDE_vTaskDelete == 1 ){BaseType_t xListIsEmpty;/* 等待删除列表中删除的任务大于0，即有需要删除的任务 */while( uxDeletedTasksWaitingCleanUp > ( UBaseType_t ) 0U ){vTaskSuspendAll(); /* 调度锁开启 */{/* 列表xTasksWaitingTermination列表项的数量不为0，返回pdFALSE  */xListIsEmpty = listLIST_IS_EMPTY( &xTasksWaitingTermination );}( void ) xTaskResumeAll();   /* 调度锁关闭 *//* 如果列表xTasksWaitingTermination有需要删除的任务 */if( xListIsEmpty == pdFALSE ){TCB_t *pxTCB;taskENTER_CRITICAL(); /* 进入临界区 */{/* 获取列表xTasksWaitingTermination第一个列表项，即第一个需要删除的任务 */pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &xTasksWaitingTermination ) );/* 将任务从列表xTasksWaitingTermination移除 */( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );  --uxCurrentNumberOfTasks;       /* 当前系统总任务数减1 */--uxDeletedTasksWaitingCleanUp; /* 列表xTasksWaitingTermination需要删除的任务数减1 */}taskEXIT_CRITICAL(); /* 退出临界区 */prvDeleteTCB( pxTCB );               /* 根据任务堆栈和控制块申请内存的方式，释放任务的堆栈和控制块内存 */}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}}#endif /* INCLUDE_vTaskDelete */
}

3.3 函数prvGetExpectedIdleTime()

如果此时无其它任务执行，只有空闲任务在执行，将返回下一个唤醒任务的时钟节拍数，相当于获取了处理器进入低功耗模式的时长。

函数原型如下：

/********************************************************
参数：无
返回：TickType_t：返回下一个唤醒任务的时钟节拍数
*********************************************************/
static TickType_t prvGetExpectedIdleTime( void )

函数源代码如下：

static TickType_t prvGetExpectedIdleTime( void )
{TickType_t xReturn;UBaseType_t uxHigherPriorityReadyTasks = pdFALSE;/* 选择下一个要执行的任务，0：通用方法，1：特殊方法，系统架构提供 */#if( configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION == 0 ){if( uxTopReadyPriority > tskIDLE_PRIORITY ){uxHigherPriorityReadyTasks = pdTRUE;}}#else{/* 特殊方式选择下一个执行的任务，每一位表示一个优先级 */const UBaseType_t uxLeastSignificantBit = ( UBaseType_t ) 0x01;if( uxTopReadyPriority > uxLeastSignificantBit ){uxHigherPriorityReadyTasks = pdTRUE;}}#endif/* 如果当前优先级大于空闲任务优先级 */if( pxCurrentTCB->uxPriority > tskIDLE_PRIORITY ){xReturn = 0;}/* 空闲任务优先级下，不止空闲任务一个优先级 */else if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ tskIDLE_PRIORITY ] ) ) > 1 ){xReturn = 0;}/* 有更高优先级任务就绪 */else if( uxHigherPriorityReadyTasks != pdFALSE )    {xReturn = 0;}/* 空闲任务优先级最高 */else{xReturn = xNextTaskUnblockTime - xTickCount;    /* 计算下一个唤醒任务的时间节拍 */}return xReturn;
}

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3.2 函数prvCheckTasksWaitingTermination()

3.3 函数prvGetExpectedIdleTime()

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